1、第二章 衛(wèi)星大地測(cè)量基本知識(shí),一、坐標(biāo)系統(tǒng),一、坐標(biāo)系統(tǒng),基本概念： 天球：以地球質(zhì)心為球心，以無(wú)窮大為半徑的一個(gè)假想球體，與天球相比，地球可以看成是無(wú)限小的點(diǎn)。 天極：地球自轉(zhuǎn)軸的延長(zhǎng)線（也稱天軸）與天球的兩個(gè)交點(diǎn)，即北天極和南天極。 赤道面：通過(guò)地球質(zhì)心且與天軸垂直的平面。 黃道：地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道面與天球相交的大圓。 春分點(diǎn)：黃道與天球赤道有兩個(gè)交點(diǎn)，其中太陽(yáng)的視位置由南向北通過(guò)赤道的交點(diǎn)。另外一點(diǎn)則稱為秋分點(diǎn)。,天球,1、天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系,天球坐標(biāo)系 坐標(biāo)原點(diǎn):地心O; Z軸:指向北天極; X軸:指向春分點(diǎn); Y軸:垂直XOZ軸,并構(gòu)成右手坐標(biāo)系。,一、坐標(biāo)系統(tǒng),春分點(diǎn),北天極

2、,地心,球面坐標(biāo)系 原點(diǎn):與空間直角坐標(biāo)系原點(diǎn)重合; 第一參數(shù):原點(diǎn)O至空間點(diǎn)P的距離r; 第二參數(shù):OP與OZ軸的夾角 ; 第三參數(shù):ZOX平面與ZOP平面的夾角，自ZOX平面起算右旋為正。,一、坐標(biāo)系統(tǒng),一、坐標(biāo)系統(tǒng),地球坐標(biāo)系 原點(diǎn):地心O； X軸：指向地球赤道面與格林威治 子午面交線的方向； Y軸:垂直XOZ軸,并構(gòu)成右手坐標(biāo)系； Z軸：地球自轉(zhuǎn)軸。,格林威治子午面,天極,地心,一、坐標(biāo)系統(tǒng),大地坐標(biāo)系 旋轉(zhuǎn)橢球面：以長(zhǎng)半軸為a、短半軸為b，幾何中心與直角坐標(biāo)系原點(diǎn)重合。 第一個(gè)參數(shù)（大地緯度B）：過(guò)空間點(diǎn)P的橢球面法線與XOY平面的夾角，自XOY面向OZ軸方向量取為正。 第二參數(shù)（大

3、地經(jīng)度L）：ZOX平面與ZOP平面的夾角，自ZOX平面起算右旋為正。 第三個(gè)參數(shù)（大地高程H）：過(guò)P點(diǎn)的橢球面法線自橢球面至P點(diǎn)的距離，以遠(yuǎn)離橢球面中心方向?yàn)檎?一、坐標(biāo)系統(tǒng),坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,一、坐標(biāo)系統(tǒng),附圖,一、坐標(biāo)系統(tǒng),一、坐標(biāo)系統(tǒng),站心赤道直角坐標(biāo)系 ： P1是測(cè)站點(diǎn)，O為球心。以P1為原點(diǎn)，坐標(biāo)軸與球心空間直角坐標(biāo)系OXYZ相平行（P1 ）。,站心地平直角坐標(biāo)系： 以P1點(diǎn)的法線為z軸（指向 天頂為正），以子午線方向?yàn)閤軸（向北為正），y軸與x、z垂直（向東為正）。此坐標(biāo)系也稱東北天坐標(biāo)系（P1xyz)。,一、坐標(biāo)系統(tǒng),P1 xyz 同OXYZ 坐標(biāo)系簡(jiǎn)單的平移關(guān)系：,一、坐標(biāo)

4、系統(tǒng),旋轉(zhuǎn)變換 地平直角坐標(biāo)系變換為站心赤道直角坐標(biāo)系： 先將y軸反向得y。繞y軸旋轉(zhuǎn)（90B），再繞z軸 旋轉(zhuǎn)（180L），即可將P1xyz化為P1。,一、坐標(biāo)系統(tǒng),將上式代入式（2.5）可得出站心左手地平直角坐標(biāo)系與球心空間直角坐標(biāo)系的關(guān)系式：,一、坐標(biāo)系統(tǒng),站心地平極坐標(biāo)系P1rAh r ： 測(cè)站P1至衛(wèi)星s的距離 A：測(cè)站P1至衛(wèi)星的方位角（zox平面與zos的夾角） h ：測(cè)站P1至衛(wèi)星的高度角（os與xoy平面的夾角）,一、坐標(biāo)系統(tǒng),站心地平極坐標(biāo)系與站心地平直角坐標(biāo)系的關(guān)系,3. 衛(wèi)星測(cè)量中的常用坐標(biāo)系,（1）瞬時(shí)天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系,瞬時(shí)天球坐標(biāo)系：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，z軸指向

5、瞬時(shí)地球自轉(zhuǎn)方向（真天極），x軸指向瞬時(shí)春分點(diǎn)（真春分點(diǎn)），y軸按構(gòu)成右手坐標(biāo)系取向。 瞬時(shí)地球坐標(biāo)系：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，z軸指向瞬時(shí)地球自轉(zhuǎn)軸方向，x軸指向瞬時(shí)赤道面和包含瞬時(shí)地球自轉(zhuǎn)軸與平均天文臺(tái)赤道參考點(diǎn)的子午面之交點(diǎn)，y軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系取向。,如圖所示,一、坐標(biāo)系統(tǒng),附圖：順時(shí)天球與地球坐標(biāo)系,G,G,G,一、坐標(biāo)系統(tǒng),瞬時(shí)地球坐標(biāo)系與瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系,一、坐標(biāo)系統(tǒng),（2）協(xié)議天球坐標(biāo)系平天球坐標(biāo)系,基本概念： 歲差、章動(dòng)：由于日、月對(duì)地球非球形部分的攝動(dòng)，地球自轉(zhuǎn)軸在空間不斷擺動(dòng)產(chǎn)生兩種運(yùn)動(dòng)。 章動(dòng)：在日月引力等因素的影響下，月球繞地球的運(yùn)動(dòng)軌道以及月球與地球之間的距離都在不

6、斷變化，將這時(shí)的北天極稱為瞬時(shí)北天極。瞬時(shí)北天極繞平北天極沿橢圓軌跡進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為章動(dòng)。周期約為18.6年。,一、坐標(biāo)系統(tǒng),歲差：地球在繞太陽(yáng)運(yùn)行時(shí)，地球自轉(zhuǎn)軸的方向在天球上緩慢地移動(dòng)，春分點(diǎn)在黃道上隨之緩慢移動(dòng)的現(xiàn)象。北天極以順時(shí)針?lè)较蛎磕晡饕萍s50.37秒，周期大約為25800年，這種緩慢移動(dòng)的北天極稱為平北天極。 日月歲差：春分點(diǎn)因地球自轉(zhuǎn)軸方向變動(dòng)而引起的變化。 行星歲差：春分點(diǎn)因黃道的緩慢變動(dòng)（行星引力對(duì)地球繞日運(yùn)動(dòng)軌道的攝動(dòng)）而變化。,一、坐標(biāo)系統(tǒng),瞬時(shí)天球坐標(biāo)系：它的坐標(biāo)軸指向是不斷變化的，即一個(gè)不斷旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系。 平天球坐標(biāo)系 ：三軸指向不變的坐標(biāo)系。選擇某一個(gè)歷元時(shí)刻

7、（即時(shí)刻的起算點(diǎn)），以此瞬間的地球自轉(zhuǎn)軸和春分點(diǎn)方向分別扣除此瞬間的章動(dòng)值作為z軸和x軸指向，y軸按構(gòu)成右手坐標(biāo)系取向，坐標(biāo)系原點(diǎn)與真天球坐標(biāo)系相同。這樣的坐標(biāo)系稱為該歷元時(shí)刻的平天球坐標(biāo)系。,一、坐標(biāo)系統(tǒng),瞬時(shí)天球坐標(biāo)系與協(xié)議天球坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換： 通過(guò)歲差與章動(dòng)兩次旋轉(zhuǎn)變換來(lái)實(shí)現(xiàn),歲差旋轉(zhuǎn)變換： ZM（t0）表示歷元J2000.0年（2000年1月1日） 平天球坐標(biāo)系z(mì)軸指向，ZM（t）表示所論歷元時(shí)刻t平天球坐標(biāo)系z(mì) 軸指向,式中，A、A、ZA 為歲差參數(shù)。,一、坐標(biāo)系統(tǒng),章動(dòng)旋轉(zhuǎn)變換 ：,式中 所論歷元的平黃赤交角 黃經(jīng)章動(dòng) 交角章動(dòng)參數(shù),一、坐標(biāo)系統(tǒng),（3）協(xié)議地球坐標(biāo)系平地球坐

8、標(biāo)系,地極移動(dòng)（極移）:地球瞬時(shí)自轉(zhuǎn)軸在地球上隨時(shí)間變化而改變。 國(guó)際協(xié)議原點(diǎn)CIO:1967年國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)以1900.00至1905.05 年地球自轉(zhuǎn)軸瞬時(shí)位置的平均位置作為地球的固定極,稱為CIO 。定義平地球坐標(biāo)系的z軸指向國(guó)際協(xié)議原點(diǎn)。,一、坐標(biāo)系統(tǒng),瞬時(shí)極與平極的關(guān)系,平地球坐標(biāo)系與瞬時(shí)地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換,下標(biāo)em：平地球坐標(biāo)系 et：t時(shí)的瞬時(shí)地球坐標(biāo)系,一、坐標(biāo)系統(tǒng),（4）坐標(biāo)系兩種定義方式與協(xié)議坐標(biāo)系,協(xié)議坐標(biāo)系：由一系列已知測(cè)站點(diǎn)所定義的 坐標(biāo)系。 GPS衛(wèi)星位置：采用WGS84大地坐標(biāo)系。,一、坐標(biāo)系統(tǒng),瞬時(shí)地球坐標(biāo)系瞬時(shí)天球坐標(biāo)系 協(xié)議地球坐標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)

9、系 （Z軸指向國(guó)際協(xié)議原點(diǎn)）（三軸指向不變的點(diǎn)）,坐標(biāo)轉(zhuǎn)換總結(jié)：,原點(diǎn)重合、Z軸重合，X軸指向不同,二、WGS84坐標(biāo)系和 我國(guó)大地坐標(biāo)系,二、WGS84坐標(biāo)系和我國(guó)大地坐標(biāo)系,1、 WGS84大地坐標(biāo)系 幾何定義： 原點(diǎn)：位于地球質(zhì)心； Z軸：指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極（CTP）方向； X軸：指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交點(diǎn)； Y軸：與Z，X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系； WGS84橢球：對(duì)應(yīng)于WGS84大地坐標(biāo)系。,二、WGS84坐標(biāo)系和我國(guó)大地坐標(biāo)系,四個(gè)基本常數(shù) ： （1）長(zhǎng)半軸 a=63781372m； （2）地心引力常數(shù)（含大氣層）GM=（39860050.6）1

10、08 （m3s-2）； （3）正?；A帶諧系數(shù)； （4）地球自轉(zhuǎn)角速度=729211510-110.150010-11（rads-1）。,二、WGS84坐標(biāo)系和我國(guó)大地坐標(biāo)系,2、國(guó)家大地坐標(biāo)系 1954北京坐標(biāo)系 20世紀(jì)50年代，在我國(guó)天文大地網(wǎng)建立初期，鑒于當(dāng)時(shí)的歷史條件，采用了克拉索夫斯基橢球元素，并與前蘇聯(lián)1942年普爾科沃坐標(biāo)系進(jìn)行聯(lián)測(cè)，通過(guò)計(jì)算建立了我國(guó)大地坐標(biāo)系，定名為1954年北京坐標(biāo)系。,二、WGS84坐標(biāo)系和我國(guó)大地坐標(biāo)系,1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系（參心坐標(biāo)系） 幾何定義： 大地原點(diǎn)：設(shè)在我國(guó)中部（陜西省涇陽(yáng)縣永樂(lè)鎮(zhèn)）； Z軸：平行于由地球地心指向1968.0地極原點(diǎn)（

11、JYD）方向； X軸：在大地起始子午面內(nèi)與Z軸垂直指向經(jīng)度零方向； Y軸：與ZOX面垂直并構(gòu)成右手坐標(biāo)系； 大地起始子午面：平行于格林尼治平均天文子午面。,二、WGS84坐標(biāo)系和我國(guó)大地坐標(biāo)系,四個(gè)基本常數(shù)： a=63781405(m) GM=（39860053）108（m3s-2） J2=（1082631）10-8 =729211510-11（rads-1）,二、WGS84坐標(biāo)系和我國(guó)大地坐標(biāo)系,3 . 地方獨(dú)立坐標(biāo)系 地方參考橢球:地方獨(dú)立坐標(biāo)系隱含著一個(gè)與當(dāng)?shù)仄骄０胃叱虒?duì)應(yīng)的參考橢球，該橢球的中心、軸向和扁率與國(guó)家參考橢球相同，其長(zhǎng)半徑則有一改正量。 地方參考橢球長(zhǎng)半徑與國(guó)家參考橢球長(zhǎng)

12、半徑的關(guān)系： 設(shè)某地方獨(dú)立坐標(biāo)系的參考橢球面為海拔高程為H的曲面，該地方的大地水準(zhǔn)面差距為，則該曲面離國(guó)家參考橢球的高度為dN=H+,二、WGS84坐標(biāo)系和我國(guó)大地坐標(biāo)系,根據(jù)假定，兩橢球的中心一致、軸向一致、扁率相等，僅長(zhǎng)半徑有一差值,即有 （2.15） 即,此處 為國(guó)家參考橢球長(zhǎng)半徑，N為相應(yīng)于該橢球的地 方獨(dú)立控制網(wǎng)原點(diǎn)的卯酉圈曲率半徑。,這樣，使得地方參考橢球的長(zhǎng)半徑為,根據(jù)假定有,分別為地方參考橢球和國(guó)家參考橢球的扁率。,于是，地方參考橢球和國(guó)家參考橢球的關(guān)系可以表述為： 中心一致： 軸向一致： 扁率相等： 長(zhǎng)半徑有一增量：,二、WGS84坐標(biāo)系和我國(guó)大地坐標(biāo)系,三、坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)

13、換,三、坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,1.不同空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換 需要求出坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。轉(zhuǎn)換參數(shù)一般是利用重合點(diǎn)的兩套坐標(biāo)值通過(guò)一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)重合點(diǎn)數(shù)為三個(gè)以上時(shí)，可采用布爾薩（Bursa）7參數(shù)法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 設(shè) 和 分別為地面網(wǎng)點(diǎn)和GPS網(wǎng)點(diǎn)的參心和地心坐標(biāo)向量。由布爾莎模型可知：,三、坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,式中， 是平移參數(shù)矩陣，k是尺度變化參數(shù)。,三、坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,通常將 、 、 、 、 、 、 稱為坐系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。 為了簡(jiǎn)化計(jì)算，當(dāng) 、 、 、 為微小量時(shí)，忽略其間的互乘項(xiàng)，且 ，則上述模型變?yōu)椋?三、坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,令 （ ）T ，,三、坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)

14、換,通過(guò)上述模型，利用重合點(diǎn)的兩套坐標(biāo)值和，采取平差的方法可以求得轉(zhuǎn)換參數(shù)。求得轉(zhuǎn)換參數(shù)后，再利用上述模型對(duì)其他控制點(diǎn)進(jìn)行的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。 實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于局部GPS網(wǎng)還可應(yīng)用基線向量求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的方法，這種方法是先求出各重合點(diǎn)相對(duì)地面網(wǎng)原點(diǎn)的基線向量，然后利用基線向量求定轉(zhuǎn)換參數(shù)。 實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算表明，第二種方法的精度優(yōu)于第一種方法。,三、坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,2 . 不同大地坐標(biāo)系的換算 不同大地坐標(biāo)系的換算，除了上述七個(gè)參數(shù)外，還應(yīng)增加兩個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)，這就是兩種大地坐標(biāo)系所對(duì)應(yīng)的地球橢球參數(shù)（ ）。不同大地坐標(biāo)系的換算公式又稱大地坐標(biāo)微分公式或變換橢球微分公式。,三、坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,3.大地坐標(biāo)

15、（B，L）與高斯平面坐標(biāo)（x,y）之間的轉(zhuǎn)換 當(dāng)已知一點(diǎn)的大地經(jīng)度L、大地緯度B，可按下式計(jì)算該點(diǎn)在高斯克呂格投影平面直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)：,三、坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,式中 X 自赤道量至該點(diǎn)子子午線弧長(zhǎng) X0=111134.8611BsinBcosB(32005.7799+133.9238sin2B +0.6973sin4B+0.0039sin6B) (克拉索夫斯橢球) X0=111133.0047BsinBcosB(32009.8575+133.9602sin2B +0.6976sin4B+0.0039sin6B) (IAG75橢球) N 卯酉圈曲率半徑,三、坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,l計(jì)算點(diǎn)大地經(jīng)

16、度與投影帶中央子午線經(jīng)度之差，即,三、坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,對(duì)于克拉索夫斯基橢球和IAG75橢球，其有關(guān)橢球參數(shù)可參考本教材。 按式（2.25）計(jì)算出的（x、y）值，稱為“自然值”。為了避免y值出現(xiàn)負(fù)號(hào)，我國(guó)規(guī)定將y 值加上500km；為了標(biāo)明點(diǎn)的帶號(hào)，又規(guī)定在其前面冠以帶號(hào)，這種坐標(biāo)稱為“通用坐標(biāo)”。 由一點(diǎn)的大地經(jīng)、緯度（L、B）求（x、y），稱為高斯投影正算；而由（x、y）求（L、B）稱為反算。其計(jì)算公式為,三、坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,三、坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,式中為投影帶中央子午線經(jīng)度；Bf 為底點(diǎn)緯度，可按以下公式迭代計(jì)算： B0=x/111134,8611 Bf=B0+sin B0cos

17、B0 (32005.7799+133.9238sin2 B0+0.6973sin4 B0+0.0039sin6B0)/111134.8611 Bf=B0+sin B0cos B0(32009.8575+133.9602sin2 B0+0.6976sin4 B0+0.0039sin6B0)/111133.0047 B0=x/111133.0047 式中Nf 為對(duì)應(yīng)于Bf的卯酉圈曲率半徑；Mf 為對(duì)應(yīng)于Bf的子午圈曲率半徑。,三、坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,tf 和f ：,三、坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換,地心直角坐標(biāo) 參心直角坐標(biāo) 地心大地坐標(biāo) 參心大地坐標(biāo) 高斯平面坐標(biāo),布爾薩七參數(shù)法,四、時(shí)間系統(tǒng),四、時(shí)間系

18、統(tǒng),歷元：各種天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系無(wú)不歸屬于某一 確定的時(shí)刻（瞬間），天文學(xué)中常稱歷元。 1、恒星時(shí)ST（Sidereal Time） 恒星時(shí)系統(tǒng):以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，由春分點(diǎn)的周日視 運(yùn)動(dòng)所定義的時(shí)間系統(tǒng)。 時(shí)間尺度：春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)本地子午圈的時(shí)間間隔為一恒星日，一恒星日分為24個(gè)恒星時(shí)。恒星時(shí)以春分點(diǎn)通過(guò)本地上子午圈時(shí)刻為起算原點(diǎn)，在數(shù)值上等于春分點(diǎn)相對(duì)于本地子午圈的時(shí)角。,四、時(shí)間系統(tǒng),2、平太陽(yáng)時(shí)MT（Mean Solar Time） 平太陽(yáng)時(shí)系統(tǒng):以平太陽(yáng)為參考點(diǎn)，由平太陽(yáng)的周日視運(yùn)動(dòng)所定義的時(shí)間系統(tǒng)。 時(shí)間尺度：平太陽(yáng)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)本地子午圈的時(shí)間間隔為一平太陽(yáng)日，一平太陽(yáng)日分為

19、24平太陽(yáng)時(shí)。,3、世界時(shí)UT（Universal Time） 世界時(shí)UT：以平子夜為零時(shí)起算的格林尼治平太陽(yáng)時(shí)。與平太陽(yáng)時(shí)的尺度相同，但起算點(diǎn)不同。 1956年國(guó)際上采用新的秒長(zhǎng)定義。世界時(shí)已被歷書時(shí)ET所代替，之后，又于1976年為原子時(shí)所取代。,四、時(shí)間系統(tǒng),4、原子時(shí)ATI（International Atomic Time） 原子時(shí)系統(tǒng)：秒長(zhǎng)即銫原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間躍遷輻射振蕩9192631170周所持續(xù)的時(shí)間。 原子時(shí)的起點(diǎn)：按國(guó)際協(xié)定取為1958年1月1日0時(shí)0秒（UT2）。 5、協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC（Coordinated Universal Time） 采用原子時(shí)秒長(zhǎng)，用跳

20、秒（閏秒）的方法使協(xié)調(diào)時(shí)與世界時(shí)的時(shí)刻相接近，其差不超過(guò)1秒。保持時(shí)間尺度的均勻性，又能近似地反映地球自轉(zhuǎn)的變化。,四、時(shí)間系統(tǒng),6、GPS時(shí)間系統(tǒng) 時(shí)間基準(zhǔn)：原子時(shí)AT1秒長(zhǎng) 時(shí)間起算原點(diǎn)：定義在1980.1.6 UTC 0時(shí)。啟動(dòng)后不跳秒，保持時(shí)間的連續(xù)。 GPS時(shí)與協(xié)調(diào)時(shí)在1980年1月6日0時(shí)相一致。隨著時(shí)間的積累，GPS時(shí)與UTC時(shí)的整秒差以及秒以下的差異通過(guò)時(shí)間服務(wù)部門定期公布。 GPS時(shí)與AT1時(shí)在任一瞬間均有一常量偏差：,四、時(shí)間系統(tǒng),GPS時(shí)間系統(tǒng)與各種時(shí)間系統(tǒng)的關(guān)系見下圖 ：,五、衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)與軌道,衛(wèi)星的無(wú)攝運(yùn)動(dòng),1、衛(wèi)星的無(wú)攝運(yùn)動(dòng) 基本概念 地球質(zhì)心引力：將地球看作密度均勻

21、或由無(wú)限多密度均勻的同心球?qū)铀鶚?gòu)成的圓球，它對(duì)球外一點(diǎn)的引力等效于質(zhì)量集中于球心的質(zhì)點(diǎn)所產(chǎn)生的引力，這種引力叫做中心引力。 攝動(dòng)力（非中心引力）：地球?yàn)闄E球體，這種非球形對(duì)稱的地球引力場(chǎng)便對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生非中心的引力，加上日月引力，大氣阻力，太陽(yáng)光壓，地球潮汐力等。攝動(dòng)力與中心引力相比，僅為10-3量級(jí)。,衛(wèi)星的無(wú)攝運(yùn)動(dòng),無(wú)攝運(yùn)動(dòng)：僅考慮地球質(zhì)心引力作用的運(yùn)動(dòng)，在天體力學(xué)中稱為二體問(wèn)題。衛(wèi)星的無(wú)攝運(yùn)動(dòng)一般可通過(guò)一組適宜的參數(shù)來(lái)描述，若已知六個(gè)軌道根數(shù)，就可以唯一地確定衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。,衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的軌道參數(shù) 衛(wèi)星運(yùn)行的軌道：通過(guò)地心平面上的橢圓，且橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)與地心相重合。（開普勒定律）,五、衛(wèi)星的無(wú)

22、攝運(yùn)動(dòng),S衛(wèi)星,開普勒軌道參數(shù) （軌道根數(shù)） 橢圓長(zhǎng)半徑a 橢圓短半徑b 升交點(diǎn)的赤徑:地球赤道平面上，升交點(diǎn)N與春分點(diǎn)r之間的地心夾角。 近地點(diǎn)角距:軌道平面上近地點(diǎn)A與升交點(diǎn)N之間的地心角距。 真近點(diǎn)角v:軌道平面上衛(wèi)星與近地點(diǎn)之間的地心角距。, 軌道面的傾角i:衛(wèi)星軌道平面與地球赤道面之間的夾角。,衛(wèi)星的無(wú)攝運(yùn)動(dòng),2、衛(wèi)星的受攝運(yùn)動(dòng) 衛(wèi)星的受攝運(yùn)動(dòng)：考慮了攝動(dòng)力作用的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)。對(duì)于衛(wèi)星精密定位來(lái)說(shuō)，若只考慮地球質(zhì)心引力情況下計(jì)算衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（即研究二體問(wèn)題）是不能滿足精度要求的。必須考慮地球引力場(chǎng)攝動(dòng)力、日月攝動(dòng)力、大氣阻力、光壓攝動(dòng)力、潮汐攝動(dòng)力等對(duì)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。 瞬時(shí)軌道根數(shù)

23、：衛(wèi)星在地球質(zhì)心引力和各種攝動(dòng)力影響下的軌道根數(shù)。,衛(wèi)星的無(wú)攝運(yùn)動(dòng),衛(wèi)星的攝動(dòng)軌道（或瞬時(shí)軌道）：衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的真實(shí)軌道 各種作用力的特性及其影響： 1）地球引力 地球引力場(chǎng)對(duì)衛(wèi)星的引力包括地球質(zhì)心引力和地球引力場(chǎng)攝動(dòng)力兩部分。地球引力場(chǎng)攝動(dòng)力是由于地球形狀不規(guī)則及其質(zhì)量不均勻而引起。 2）日、月引力 衛(wèi)星和地球同時(shí)受到日、月的引力。,衛(wèi)星的無(wú)攝運(yùn)動(dòng),3）太陽(yáng)輻射壓力 4）地球潮汐作用力 5）大氣阻力 綜上所述，在人造地球衛(wèi)星所受的攝動(dòng)力中，地球引力場(chǎng)攝動(dòng)力最大，約為10-3量級(jí)。其他攝動(dòng)力大多小于或近于10-6量級(jí)。這些攝動(dòng)力引起衛(wèi)星位置的變化，引起軌道根數(shù)的變化。 通過(guò)解算衛(wèi)星受攝運(yùn)動(dòng)的微分方

24、程，可以得到衛(wèi)星軌道根數(shù)的變化規(guī)律。,衛(wèi)星軌道在GPS定位中的意義 衛(wèi)星在空間運(yùn)行的軌跡稱為軌道，描述衛(wèi)星軌道位置和狀態(tài)的參數(shù)稱為軌道參數(shù)。 1）衛(wèi)星作為位置已知的高空觀測(cè)目標(biāo)，在進(jìn)行絕對(duì)定位時(shí)，衛(wèi)星軌道誤差將直接影響用戶接收機(jī)位置的精度； 2）在相對(duì)定位時(shí)，盡管衛(wèi)星軌道誤差的影響將會(huì)減弱，但當(dāng)基線較長(zhǎng)或精度要求較高時(shí)，軌道誤差影響不可忽略。此外，為了制訂GPS測(cè)量的觀測(cè)計(jì)劃和便于捕獲衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，也需要知道衛(wèi)星的軌道參數(shù)。,衛(wèi)星的軌道,影響衛(wèi)星軌道的因素： 衛(wèi)星在空間繞地球運(yùn)行時(shí)，除了受地球重力場(chǎng)的引力作用外，還受到太陽(yáng)、月亮和其它天體的引力影響，以及太陽(yáng)光壓、大氣阻力和地球潮汐力等因素影

25、響。衛(wèi)星實(shí)際運(yùn)行軌道十分復(fù)雜，難以用簡(jiǎn)單而精確的數(shù)學(xué)模型加以描述。,衛(wèi)星的軌道,作用于衛(wèi)星上的各種力按其影響的大小分為兩類： 1）一類是假設(shè)地球?yàn)榫|(zhì)球體的引力（質(zhì)量集中于球體的中心），稱為中心力，決定著衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律和特征，由此決定的衛(wèi)星軌道，可視為理想軌道，是分析衛(wèi)星實(shí)際軌道的基礎(chǔ)。 2）另一類是攝動(dòng)力或非中心力，包括地球非球形對(duì)稱的作用力、日月引力、大氣阻力、光輻射壓力以及地球潮汐力等。攝動(dòng)力使衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一些小的附加變化而偏離理想軌道，同時(shí)偏離量的大小也隨時(shí)間而改變。 在中心力的作用下的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)稱為無(wú)攝運(yùn)動(dòng)，響應(yīng)的衛(wèi)星軌道稱為無(wú)攝軌道。 在攝動(dòng)力的作用下的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)稱為受攝運(yùn)動(dòng)，相

26、應(yīng)的衛(wèi)星軌道稱為受攝軌道。,衛(wèi)星的軌道,軌道：衛(wèi)星在空間運(yùn)行的軌跡。 軌道參數(shù)：描述衛(wèi)星軌道位置和狀態(tài)的參數(shù)。,觀測(cè)站至所觀測(cè)衛(wèi)星之間的距離 衛(wèi)星軌道的誤差 兩觀測(cè)站之間的基線長(zhǎng)度 由衛(wèi)星的軌道誤差引起的基線長(zhǎng)度誤差,其近似關(guān)系可表示為：,衛(wèi)星的軌道,1.衛(wèi)星繞地球運(yùn)行時(shí)的受力情況。 2.衛(wèi)星與地球的引力和與其它天體引力的比較,引力的分類：,1.中心力：這種力是假設(shè)地球?yàn)榫|(zhì)球體與衛(wèi)星的引力。 2.攝動(dòng)力：又稱為非中心力，包括地球非球形對(duì)稱的作 用力、日月引力、大氣阻力、光輻射壓力 以及地球潮汐力等。,衛(wèi)星的軌道,1.中心力決定著衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律和特征，由此所決定的衛(wèi)星軌道可視為理想軌道，是

27、分析衛(wèi)星實(shí)際軌道的基礎(chǔ)。 2.攝動(dòng)力的作用是使衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一些小的附加變化而偏離上述的理想軌道。 3.受攝運(yùn)動(dòng)：在攝動(dòng)力的作用下衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)。 4.受攝軌道：在攝動(dòng)力作用下，相應(yīng)的衛(wèi)星運(yùn)行軌道。 5.無(wú)攝軌道：理想狀態(tài)下，相應(yīng)衛(wèi)星的運(yùn)行軌道。,衛(wèi)星的軌道,根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的受力情況衛(wèi)星軌道分析可分為兩步： 1.在理想的地球引力場(chǎng)中，只考慮地球質(zhì)心引力的作用，來(lái)研究衛(wèi)星的無(wú)攝運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并描述衛(wèi)星軌道的基本特征。 2.研究各種攝動(dòng)力對(duì)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的影響，并對(duì)衛(wèi)星的無(wú)攝軌道加以修正，從而確定衛(wèi)星受攝運(yùn)動(dòng)軌道的瞬時(shí)特征。,衛(wèi)星的軌道,橢圓軌道的發(fā)現(xiàn),約翰尼斯.開普勒 (1571 - 1630) 利用第谷多年積

28、累的觀測(cè)資料，仔細(xì)分析研究，發(fā)現(xiàn)了行星沿橢圓軌道運(yùn)行 提出行星運(yùn)動(dòng)三定律（即開普勒定律）,第谷 (1546 - 1601): 著名的天文觀測(cè)者 對(duì)天體進(jìn)行了精確，細(xì)致的觀測(cè),牛頓力學(xué)定律是天體力學(xué)的基礎(chǔ),艾薩克.牛頓 (1643 - 1727) 的運(yùn)動(dòng)定律和萬(wàn)有引力定律給開普勒三定律提供了物理的解釋。 萬(wàn)有引力定律也成為了天體力學(xué)的理論基礎(chǔ)。 天體力學(xué)即應(yīng)用力學(xué)規(guī)律來(lái)研究天體的運(yùn)動(dòng)和形狀。,衛(wèi)星的無(wú)攝運(yùn)動(dòng)（開普勒運(yùn)動(dòng)）,在理想情況下，根據(jù)牛頓萬(wàn)有引力定律，衛(wèi)星與地球引力加速度可表示為：,引力常數(shù) 地球質(zhì)量 衛(wèi)星質(zhì)量 衛(wèi)星的地心向徑,相對(duì)與地球的質(zhì)量，衛(wèi)星的質(zhì)量可以忽略，于是引 力加速度可表示為

29、：,衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的開普勒定律,開普勒第一定律： 衛(wèi)星運(yùn)行的軌道是一個(gè)橢圓，而該橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)與地球的質(zhì)心相重合。,衛(wèi)星繞地球質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的軌道方程為：,為真近點(diǎn)角，它描述了任意時(shí)刻，衛(wèi)星在軌道上相對(duì)近地點(diǎn)的位置，是時(shí)間的函數(shù)。,開普勒第二定律,衛(wèi)星的地心向徑，即地球質(zhì)心與衛(wèi)星質(zhì)心間的距離向量，在相同的時(shí)間內(nèi)所掃過(guò)的面積相等。,1. 在軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星具有動(dòng)能和勢(shì)能。 2. 勢(shì)能受地球重力場(chǎng)的影響，其大小和衛(wèi)星在軌道上 所處 的位置有關(guān)。 3. 近地點(diǎn)的勢(shì)能最小，遠(yuǎn)地點(diǎn)的勢(shì)能最大。 4. 任一時(shí)刻所具的勢(shì)能為：,開普勒第二定律,5. 衛(wèi)星在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的勢(shì)能和動(dòng)能的總和保持不變。 6. 衛(wèi)星運(yùn)行在近地點(diǎn)時(shí)

30、，其動(dòng)能應(yīng)為最大，在遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)其動(dòng)能應(yīng)為最小。,開普勒第三定律,衛(wèi)星運(yùn)行周期的平方，與軌道橢圓長(zhǎng)半徑的立方之比為常量，而該常量等于地球引力常數(shù)GM的倒數(shù)。 其數(shù)學(xué)形式為：,若假設(shè)衛(wèi)星運(yùn)行的平均角速度為n，則有：,開普勒第三定律可寫為：,或,開普勒定律的意義,1. 開普勒第一定律闡明了衛(wèi)星運(yùn)行軌道的基本形態(tài)及其與地心的關(guān)系。 2. 開普勒第二定律闡明了衛(wèi)星在橢圓軌道上的運(yùn)行速度是不斷變化的，在近地點(diǎn)處速度為最大，而在遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)速度為最小。 3. 開普勒第三定律在已知橢圓長(zhǎng)半徑的情況下，衛(wèi)星運(yùn)行的平均角速度的計(jì)算，其在衛(wèi)星位置的計(jì)算中具有重要的意義。,無(wú)攝衛(wèi)星軌道的描述,1.確定衛(wèi)星軌道橢圓的形狀參數(shù)

31、： 2.確定衛(wèi)星在軌道上的瞬時(shí)位置參數(shù)：,開普勒軌道參數(shù), 為升交點(diǎn)的赤經(jīng)，即在地球赤 道平面上升交點(diǎn)與春分點(diǎn)之間的地心夾角。 i 為軌道平面的傾角，衛(wèi)星軌道平面與地球赤道面之間的夾角。,為近地點(diǎn)角，即在軌道平面上，升交點(diǎn)與近地點(diǎn)之間的地心夾角。,衛(wèi)星的真近點(diǎn)角，即在軌道平面上，衛(wèi)星與近地點(diǎn)之間的地心角距。,軌道橢圓的長(zhǎng)半徑。,軌道橢圓的扁心率。,近地點(diǎn)P,遠(yuǎn)地點(diǎn)P,開普勒軌道參數(shù)的意義,兩參數(shù)確定了開普勒軌道的形狀和大小。 i 這三個(gè)參數(shù)表達(dá)了開普勒橢圓在軌道平面上的定向。 3. 為時(shí)間的函數(shù)它確定了衛(wèi)星在軌道上的瞬時(shí)位置。,真近點(diǎn)角的計(jì)算,Es,近地點(diǎn)P,遠(yuǎn)地點(diǎn)P,Es 為偏近點(diǎn)角。 Ms

32、 為平近點(diǎn)角，它是一個(gè)假設(shè)量，如果衛(wèi)星在軌道上運(yùn)動(dòng)的平均速度為n,則平近點(diǎn)角定義為：,為衛(wèi)星過(guò)近地點(diǎn)的時(shí)刻。 為觀測(cè)衛(wèi)星的時(shí)刻。,真近點(diǎn)角的計(jì)算,平近點(diǎn)角和偏近點(diǎn)角之間的關(guān)系：,偏近點(diǎn)角和真近點(diǎn)角之間的關(guān)系：,將上式代入開普勒橢圓方程為：,即：,衛(wèi)星的瞬時(shí)位置計(jì)算,1.在軌道直角坐標(biāo)系中衛(wèi)星的位置：,如果取另一種定向不同的軌道直角坐標(biāo)系,原點(diǎn)與地心M相重合 軸指向升交點(diǎn) 軸在軌道平面上垂直 軸 垂直于軌道平面上,為升交距角,衛(wèi)星瞬時(shí)位置的計(jì)算,在天球坐標(biāo)系中衛(wèi)星的位置：,將軌道坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成天球坐標(biāo)系作如下旋轉(zhuǎn)（坐標(biāo)原點(diǎn)相同）： 1.繞 軸順轉(zhuǎn)角度 ，使 軸的指向由近地點(diǎn)改為升交點(diǎn)； 2.繞 軸

33、順轉(zhuǎn)角度 ，使 軸與 軸重合； 3.繞 軸順轉(zhuǎn)角度 ，使 兩坐標(biāo)系的 軸與 軸重合；,用矩陣可表示為:,在天球坐標(biāo)系中衛(wèi)星位置的計(jì)算,設(shè),所以,衛(wèi)星在地球坐標(biāo)系中的位置,1.瞬時(shí)地球坐標(biāo)與瞬時(shí)天球坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換:,2.協(xié)議地球坐標(biāo)系中衛(wèi)星坐標(biāo)計(jì)算:,衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的攝動(dòng)力 地球的非中心引力 太陽(yáng)的引力和月球的引力 太陽(yáng)的直接與間接輻射壓力 太陽(yáng)的阻力 地球的潮汐作用 磁力等,衛(wèi)星的受攝運(yùn)動(dòng),攝動(dòng)力對(duì)衛(wèi)星的影響,受攝運(yùn)動(dòng)的研究,受攝加速度,無(wú)法直接求解； 攝動(dòng)力或攝動(dòng)力的分量軌道參數(shù)的變率,描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的參數(shù),軌道參數(shù),：星歷的基準(zhǔn)時(shí)間 ：半長(zhǎng)軸的平方根 ：偏心率 ：參考時(shí)刻的傾角 ：升交點(diǎn)赤經(jīng) ：近

34、地點(diǎn)角距 ：平近點(diǎn)角 ：軌道傾角變化率 ：星歷表數(shù)據(jù)齡期,：升交點(diǎn)赤經(jīng)變化率 ：平均角速度的校正 ：緯度幅角余弦的校正 ：緯度幅角正弦的校正 ：軌道半徑余弦的校正 ：軌道半徑正弦的校正 ：傾角余弦的校正 ：傾角正弦的校正,六、GPS衛(wèi)星星歷,GPS衛(wèi)星工作星座,2020年9月8日,97,GPS衛(wèi)星作用與設(shè)備,作用： 接收、存儲(chǔ)導(dǎo)航電文 生成用于導(dǎo)航定位的信號(hào)（測(cè)距碼、載波） 發(fā)送用于導(dǎo)航定位的信號(hào)（采用雙相調(diào)制法調(diào)制在載波上的測(cè)距碼和導(dǎo)航電文） 接受地面指令，進(jìn)行相應(yīng)操作 其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測(cè)核暴等。 主要設(shè)備 太陽(yáng)能電池板 原子鐘（2臺(tái)銫鐘、2臺(tái)銣鐘） 信號(hào)生成與發(fā)射裝置,2020年9

35、月8日,98,GPS衛(wèi)星,2020年9月8日,99,GPS衛(wèi)星星歷,衛(wèi)星星歷：描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道的信息，即一組對(duì)應(yīng)某一時(shí)刻的軌道根數(shù)及其變化率。可以計(jì)算出任一時(shí)刻的衛(wèi)星位置及其速度。分為兩類即廣播星歷和精密（事后處理）星歷。 廣播星歷：包括相對(duì)某一參考?xì)v元的開普勒軌道根數(shù)和必要的軌道攝動(dòng)改正項(xiàng)參數(shù)。 廣播星歷參數(shù)：共有16個(gè)，其中包括1個(gè)參考時(shí)刻，6個(gè)對(duì)應(yīng)參考時(shí)刻的開普勒軌道根數(shù)和9個(gè)反映攝動(dòng)力影響的參數(shù)。這些參數(shù)通過(guò)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文傳遞給用戶。,GPS衛(wèi)星星歷,C/A碼星歷：C/A碼所傳送的GPS衛(wèi)星星歷，其星歷精度為數(shù)十米。 P碼星歷：P碼所傳送的GPS衛(wèi)星星歷，精度提高到5m左右。 精密

36、事后處理星歷： 一些國(guó)家某些部門，根據(jù)各自建立的衛(wèi)星跟蹤站所獲得的對(duì)GPS衛(wèi)星的精密觀測(cè)資料，應(yīng)用與確定廣播星歷相似的方法而計(jì)算得到的衛(wèi)星星歷。 它可以向用戶提供在用戶觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的衛(wèi)星星歷，避免了星歷外推的誤差。,衛(wèi)星的星歷是描述有關(guān)衛(wèi)星運(yùn)行軌道的信息.,1.衛(wèi)星星歷的種類 GPS衛(wèi)星星歷的提供方式: 預(yù)報(bào)星歷 (廣播星歷)精度約2040m 后處理星歷(精密星歷)精度可達(dá)分米級(jí) 2.預(yù)報(bào)星歷的定義 預(yù)報(bào)星歷:是通過(guò)衛(wèi)星發(fā)射的含有軌道信息的導(dǎo)航電文,傳遞給用戶的,用戶接收機(jī)接收到這些信號(hào),經(jīng)過(guò)解碼便可獲得所需的衛(wèi)星星歷. 由C/A碼傳送的民用星歷，稱為C/A碼星歷，由P碼傳送的軍用星歷，稱為P碼

37、星歷。,GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文,GPS衛(wèi)星星歷,3.預(yù)報(bào)星歷的內(nèi)容 預(yù)報(bào)星歷包括相對(duì)某一參考?xì)v元的開普勒軌道參數(shù),和必要的軌道攝動(dòng)改正項(xiàng)參數(shù). 4.參考?xì)v元:相應(yīng)參考?xì)v元的衛(wèi)星開普勒軌道參數(shù),是根據(jù)GPS衛(wèi)星監(jiān)測(cè)站約一周的觀測(cè)資料推算的.參考星歷只代表衛(wèi)星在參考?xì)v元的瞬時(shí)軌道參數(shù).,GPS衛(wèi)星的星歷,5. 為保持衛(wèi)星預(yù)報(bào)星歷的必要精度,一般采用限制預(yù)報(bào)星歷外推時(shí)間間隔的方法. 6. GPS用戶可以通過(guò)廣播星歷可以獲得有關(guān)衛(wèi)星星歷參數(shù).,導(dǎo)航電文中的星歷參數(shù),參考時(shí)刻的平近點(diǎn)角 平均運(yùn)行速度差 軌道偏心率 軌道長(zhǎng)半軸的方根 參考時(shí)刻的升交點(diǎn)赤經(jīng) 參考時(shí)刻的軌道傾角 近地點(diǎn)角距 升交點(diǎn)赤經(jīng)變率 軌道

38、傾角扁率 升交距角的調(diào)和改正項(xiàng)振幅 衛(wèi)星地心距的調(diào)和改正項(xiàng)振幅 軌道傾角的調(diào)和改正項(xiàng)振幅 星歷參數(shù)的參考?xì)v元 星歷數(shù)據(jù)的齡期,后處理星歷,1.定義: 后處理星歷,是一些國(guó)家的某些部門,根據(jù)各自建立的跟蹤站所獲得的精密觀測(cè)資料,應(yīng)用與確定預(yù)報(bào)星歷相似的方法,計(jì)算衛(wèi)星的星歷。 2.特點(diǎn): 事后向用戶提供； 精度高可達(dá)到分米級(jí)； 不是通過(guò)衛(wèi)星的無(wú)線信號(hào)向用戶傳遞的； 有償為用戶提供服務(wù)。,3種IGS星歷精度,GPS導(dǎo)航電文（衛(wèi)星電文）主要包括衛(wèi)星星歷、時(shí)鐘改正、電力層改正、工作狀態(tài)信息以及CA碼轉(zhuǎn)到捕獲P碼的信息。 導(dǎo)航電文的基本單位是一個(gè)主幀，每個(gè)主幀長(zhǎng)度為1500 bit，由5個(gè)子幀組成。每個(gè)子

39、幀分別含有10個(gè)字， 每個(gè)字含30 bit電文，故每一子幀共含300 bit電文。電文的傳輸速率是50 b/s，所以播發(fā)一幀電文需要30 s，而一子幀電文的持續(xù)播發(fā)時(shí)間為6 s。,GPS導(dǎo)航電文,導(dǎo)航電文的組成格式,GPS導(dǎo)航電文,為了記載多達(dá)24顆GPS衛(wèi)星的星歷，規(guī)定4、5子幀各有25個(gè)頁(yè)面。子幀1、2、3與子幀4、5的每一頁(yè)均構(gòu)成一幀電文。 每25幀導(dǎo)航電文組成一個(gè)主幀。 在每一幀電文中，1、2、3子幀的內(nèi)容每30 s重復(fù)一次，每小時(shí)更新一次，而子幀4、5的內(nèi)容僅在給衛(wèi)星注入新的導(dǎo)航數(shù)據(jù)后才得以更新。需要750s才能夠傳送完畢第4，5幀的全部信息量，即，第4，5幀是12.5min才重復(fù)一

40、次。,GPS導(dǎo)航電文,導(dǎo)航電文的內(nèi)容 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是衛(wèi)星以二進(jìn)制碼的形式發(fā)送給用戶的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)，故又稱為數(shù)據(jù)碼或D碼，是用戶用來(lái)定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。它主要包括：衛(wèi)星星歷、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延改正、 工作狀態(tài)信息及C/A碼轉(zhuǎn)換到捕獲P碼的信息、全部衛(wèi)星的概略星歷, 如圖所示。,GPS導(dǎo)航電文,各幀導(dǎo)航電文的內(nèi)容,GPS導(dǎo)航電文,1. 遙測(cè)碼（Telemetry Word， TLW） 遙測(cè)碼位于各子幀的開頭，它用來(lái)表明衛(wèi)星注入數(shù)據(jù)的狀態(tài)，其30比特中，第18比特是同步碼， 為各子幀編碼脈沖提供一個(gè)同步起點(diǎn)， 使用戶便于解釋導(dǎo)航電文；第922比特為遙測(cè)電文， 包括地面監(jiān)控系統(tǒng)注入數(shù)據(jù)時(shí)的

41、狀態(tài)信息、 診斷信息和其他信息; 第23和第24比特是連接碼；第2530比特為奇偶校驗(yàn)碼， 它用于發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤。,GPS導(dǎo)航電文,2. 轉(zhuǎn)換碼（Hand Over Word， HOW） 轉(zhuǎn)換碼位于每個(gè)子幀的第2個(gè)字碼，其作用是提供幫助用戶從所捕獲的C/A碼轉(zhuǎn)換到捕獲P碼的Z計(jì)數(shù)。Z計(jì)數(shù)實(shí)際上是一個(gè)時(shí)間計(jì)數(shù)， 它以從每星期起始時(shí)刻開始播放的D碼子幀數(shù)為單位，給出了一個(gè)子幀開始瞬間的GPS時(shí)間。 由于每一個(gè)子幀持續(xù)時(shí)間為6 s，所以下一子幀開始的時(shí)間為6Z s。用戶可以據(jù)此將接收機(jī)時(shí)鐘精確對(duì)準(zhǔn)GPS時(shí)鐘，并快速捕獲P碼。 轉(zhuǎn)換碼的第18比特表明衛(wèi)星注入電文后是否發(fā)生滾動(dòng)動(dòng)量矩陣缺載現(xiàn)象；第19比

42、特指示數(shù)據(jù)幀的時(shí)間是否同步；第2022比特為子幀識(shí)別標(biāo)志；第2324比特為連接碼；第2530比特為奇偶校驗(yàn)碼。,GPS導(dǎo)航電文,3. 第1數(shù)據(jù)塊 第1子幀的第310字碼稱為第1數(shù)據(jù)塊，它的主要內(nèi)容包括： 標(biāo)識(shí)碼、時(shí)延差改正、星期序號(hào)、數(shù)據(jù)齡期、衛(wèi)星的健康狀況、衛(wèi)星時(shí)鐘改正系數(shù)等。 （1） 星期序號(hào)（WN）。第3字碼的第110比特，表示從1980年1月6日子夜零點(diǎn)（UTC）起算的星期數(shù)，也稱GPS星期數(shù)。 （ 2）第1112比特表示L2載波是采用P碼還是C/A碼調(diào)制， “01”為P碼調(diào)制， “10”為C/A碼調(diào)制。,GPS導(dǎo)航電文,（3） 第17比特表示導(dǎo)航數(shù)據(jù)是否正常，“0”表示所有導(dǎo)航數(shù)據(jù)都

43、正確，“1”表示有錯(cuò)誤。 第1822比特表示信號(hào)編碼的正確性。 （4）數(shù)據(jù)齡期（AODC）。第3字碼的第23、24比特以及第8字碼的第18比特，均表示衛(wèi)星時(shí)鐘的AODC。AODC是時(shí)鐘改正數(shù)的外推時(shí)間間隔，它指明衛(wèi)星時(shí)鐘改正數(shù)的置信度。 AODC=t0c-t1 式中，t0c表示第1數(shù)據(jù)塊的參考時(shí)刻；t1表示計(jì)算時(shí)鐘改正參數(shù)所用數(shù)據(jù)的最后觀測(cè)時(shí)間。,GPS導(dǎo)航電文,（5） 電離層時(shí)延差改正Tgd。時(shí)延差改正Tgd表示信號(hào)在衛(wèi)星內(nèi)部的時(shí)延差(TP1-TP2)，即P1(y1)、P2(y2)碼從產(chǎn)生到衛(wèi)星發(fā)射天線所經(jīng)歷時(shí)間的差異。 （6） 時(shí)鐘改正。GPS系統(tǒng)時(shí)間是以地面主控站的主原子鐘為基準(zhǔn)。由于主

44、控站時(shí)鐘的不穩(wěn)定性，使得GPS時(shí)間和UTC時(shí)間之間存在著差值。地面監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)確定出這種差值， 并用導(dǎo)航電文播發(fā)給廣大用戶。,GPS導(dǎo)航電文,每一顆GPS衛(wèi)星的時(shí)鐘相對(duì)GPS系統(tǒng)時(shí)間存在著差值，需加以改正，這便是衛(wèi)星時(shí)鐘改正， 即,式中，t0c是第1數(shù)據(jù)塊的參考時(shí)刻，在第8字碼的第924比特；a0是衛(wèi)星鐘差（s）時(shí)間偏差，在第9字碼的第18比特； a1是衛(wèi)星鐘速（s/s）頻率偏差系數(shù)，在第9字碼的第925比特；a2是衛(wèi)星鐘速變率（s/s2）漂移系數(shù)，在第10字碼的第122比特。,GPS導(dǎo)航電文,4. 第2數(shù)據(jù)塊 第2和第3子幀組成第2數(shù)據(jù)塊，其內(nèi)容為GPS衛(wèi)星星歷， 它是GPS衛(wèi)星為導(dǎo)航、

45、定位播發(fā)的主要電文，可向用戶提供有關(guān)計(jì)算衛(wèi)星運(yùn)行位置的信息。由衛(wèi)星每30 s發(fā)送一次，每1 h更新一次。 描述衛(wèi)星的運(yùn)行及其軌道的參數(shù)包括下列三類，如圖4-8所示。 (1） 開普勒軌道6系數(shù)： 為軌道長(zhǎng)半軸的平方根；e為軌道偏心率；M0為按參考?xì)v元t0e計(jì)算的平近點(diǎn)角；i0為按參考?xì)v元t0e計(jì)算的軌道傾角；0為按參考?xì)v元t0e計(jì)算的升交點(diǎn)赤經(jīng)；為近地點(diǎn)角距。,GPS導(dǎo)航電文,(2）軌道攝動(dòng)9參數(shù)：n為平近地點(diǎn)角改正值； 為升交點(diǎn)赤經(jīng)變化率； 為軌道平面傾角變化率； Cus、Cuc為緯度幅角的正、余弦調(diào)和改正項(xiàng)振幅；Cis、Cic為軌道正面傾角的正、余弦調(diào)和改正項(xiàng)振幅； Crs、Crc為軌道半徑的正、 余弦調(diào)和改正項(xiàng)振幅。 (3）時(shí)間參數(shù)：t0e為從星期日子夜零點(diǎn)開始度量的星歷參考時(shí)刻； AODE為星歷表的數(shù)據(jù)齡期。 ,GPS導(dǎo)航電文,5. 第3數(shù)